CN107764369B - 超声波液位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波液位测量方法，包括下列步骤：控制装置控制超声波传感器向液面发送固定频率的超声波探测信号，超声波探测信号在接触液面后，向超声波传感器反弹回超声波回传信号；控制装置实时采集接收的超声波回传信号，同时在控制装置每采集一个超声波回传信号数据之后，实时动态调节可变增益放大器的输入电压来对超声波回传信号进行距离衰减动态补偿，得到超声波补偿信号；控制装置对超声波补偿信号进行加窗处理，以特征窗口快速从超声波补偿信号中提取目标频率信号。控制装置在超声波补偿信号中选取目标频率最大能量值对应的信息，并在距离能量最大值位置特征范围外，选取第二大能量值对应的信息。本发明能够给出精确的液位结果。

Description

超声波液位测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术和传感器数据处理技术，具体地说，本发明涉及一种超声波液位测量方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人们对雨水、污水、中水、河道、湖泊、道路等市政与水利领域的液位监测需求越来越大。近些年，我国多个城市在每年雨季都会发生内涝事件，呈现了发生范围广、积水深度大、积水时间长的特点。内涝事件的发生，不仅给人民群众在雨天出行带来诸多不便，而且导致了个人和公共财产的巨大损失，甚至威胁了人民群众的生命安全，引起了社会各方面的广泛关注。

目前在超声波液位监测方面，其它设备的功能性、稳定性和硬件集成性不能很好的满足在恶劣环境中长期监测的需求。而且价格过高、功能不足、设备零配件供货周期长等问题，严重影响了液位监测等效果。主要表现如下：

(1)现有超声波液位计没有对回传的超声波能量做距离衰减动态补偿设计，可以满足环境简单的测距需求，但是不能满足测试环境复杂的应用场合，会造成测距的不准确和跳变。

(2)现有超声波液位计采用复杂的检波方法对回波中的信号进行提取工作，造成硬件资源的浪费以及计算的复杂，从而在硬件成本比较浪费，开发周期时间长，设计工作上比较复杂。

(3)现有超声波液位计对回波中的信号进行提取单一的能量最大值运算，可以满足超声波传感器与目标物体之间的障碍物比较少，而且对超声波液位计的安装要求比较苛刻。使得超声波液位计的使用场合要求比较严格，超声波液位计的测距效果上不是很理想。

因此，亟待出现一种能够适应复杂环境的液位测量要求和简单有效的液位测量方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种能够适应复杂环境的液位测量要求和简单有效的液位测量方法。

本发明采用的技术方案为：

本发明的实施例提供一种超声波液位测量方法，包括：控制装置控制超声波传感器向被测液面发送固定频率的超声波探测信号，所述超声波探测信号在接触所述液面后，向所述超声波传感器反弹回超声波回传信号；所述控制装置实时采集接收的超声波回传信号，同时在控制装置每采集一个超声波回传信号之后，实时动态调节可变增益放大器的输入电压来对所述超声波回传信号进行距离衰减动态补偿，得到超声波补偿信号；所述控制装置对所述超声波补偿信号进行加窗处理，以特征窗口快速从所述超声波补偿信号中提取目标频率信号；所述控制装置在所述超声波补偿信号中选取目标频率最大能量值对应的信息，并在距离能量最大值位置特征范围外，选取第二大能量值对应的信息；所述控制装置基于所选取目标频率的最大能量值对应的信息和选取目标频率的第二大能量值对应的信息，得到有效的超声波反射所述液面所对应的信息，计算所述超声波传感器距离所述液面的液位高度。

优选地，所述控制装置驱动第一数字模拟转换器发送固定频率的超声波探测信号，发送的探测信号经经功率放大器放大后，通过所述超声波传感器发送；所述控制装置控制模拟数字转换器以大于所述超声波回传信号中的最高频率的2倍的采样频率来采集所述超声波回传信号；所述可变增益放大器的输入电压与对所述超声波回传信号进行距离衰减动态补偿的增益能量值成正比。

优选地，所述控制装置每采集一个超声波回传信号之后，控制装置通过控制第二数字模拟转换器输出连续的变化的电压来动态调节所述可变增益放大器的输入电压，进而动态调节所述增益能量值，以对所述超声波回传信号的下一个采集点进行距离衰减补偿。

优选地，控制装置控制超声波传感器发送的超声波探测信号中包括固定N_period个周期的正弦波信号，所述控制装置对所述超声波补偿信号进行分析，提取所述超声波补偿信号中N_period个周期正弦波信号的位置信息，并计算超声波传感器到被测液面的距离。

优选地，控制装置对所述超声波补偿信号进行加窗处理，包括利用特征窗口大小对所述超声波补偿信号分数据段进行分析，其中特征窗口大小通过如下公式获得：SIZE_window＝N_period*f_sample/f_send，其中，SIZE_window为信号处理窗口大小，N_period为超声波传感器发送波形周期数，f_sample为控制装置采集信号频率，f_send为超声波探头发送信号频率。

优选地，控制装置采用1和-1两个特征值做信号提取特征点来从所述超声波补偿信号中快速提取目标频率信号的位置信息。

优选地，所述最大能量值对应的信息和所述第二大能力最大值对应的信息包括：超声波回传信号中能量最大的点数P_fmax，超声波回传信号中能量最大的点数的能量E_fmax，超声波回传信号中距离能量最大值位置特征值范围外能量次大的点数P_smax，超声波回传信号中能量次大的点数的能量E_smax。

优选地，还包括：控制装置对超声波回传信号中能量最大点的信息和超声波回传信号中能量次大点的信息进行过滤处理，过滤处理过程中涉及的参数包括：超声波回传信号中能量一级阀值E_valid1，超声波回传信号中能量二级阀值E_valid2，最近一次有效的超声波回传信号中能量最大的点数P_lastmax，最近一次有效的超声回传信号中能量最大的点数的能量E_lastmax，超声波反射物体回传信号中最大点标志位Flag_Efmax，超声波回传信号中能量次大点标志位Flag_Esmax，超声波回传信号中能量最大的点数与上一次测量有效值允许变化阀值P_change，超声波回传信号中中能量存在有效值标志位Flag_success。

优选地，控制装置基于以下过滤处理原则对超声波回传信号中能量最大点的信息和超声波回传信号中能量次大点的信息进行过滤处理：

1)

当E_fmax≥E_valid1时，如果E_fmax≥E_valid2，则Flag_Efmax＝2

当E_fmax≥E_valid1时，如果|P_fmax-P_lastmax|≤P_change，则Flag_Efmax＝1

当E_fmax≥E_valid1时，如果|P_fmax-P_lastmax|>P_change，则Flag_Efmax＝0

当E_fmax<E_valid1时，Flag_Efmax＝0

2)

当E_smax≥E_valid1时，如果E_smax≥E_valid2，Flag_Esmax＝2

当E_smax≥E_valid1时，如果|P_smax-P_lastmax|≤P_change，Flag_Esmax＝1

当E_smax≥E_valid1时，如果|P_smax-P_lastmax|>P_change，Flag_Esmax＝0

当E_smax<E_valid1时，Flag_Esmax＝0

3)

当Flag_Efmax＝Flag_Esmax时，如果Flag_Efmax＝0，则Flag_success＝0；

当Flag_Efmax＝Flag_Esmax时，如果Flag_Efmax≠0且

|P_fmax-P_lastmax|≤|P_smax-P_lastmax|，则Flag_success＝1，P_lastmax＝P_fmax,E_lastmax＝E_fmax；

当Flag_Efmax＝Flag_Esmax时，如果Flag_Efmax≠0且

|P_fmax-P_lastmax|>|P_smax-P_lastmax|，则Flag_success＝1，P_lastmax＝P_smax，E_lastmax＝E_smax；

当Flag_Efmax≠Flag_Esmax时，Flag_success＝1，P_lastmax＝P_fmax，E_lastmax＝E_fmax。

优选地，控制装置根据所述过滤处理原则得到P_lastmax，E_lastmax和Flag_success的具体数值，并根据下述公式来计算超声波传感器距离液面的距离：

H₂＝P_lastmax*V_speed/2/f_sample其中：H₂为超声波传感器距离液面的距离；P_lastmax为最近一次有效的超声波回传信号中能量最大的点数；V_speed为声音在空气中的传播速度；f_sample为模拟数字转换器的采样率。

本发明的超声波液位测量方法对回传的超声波能量做距离衰减动态补偿设计，可以满足测试环境复杂的应用场合，能够获得精确稳定的测距；同时采用了简单的1和-1两个特征值做信号提取特征点来从所述超声波补偿信号中快速提取目标频率信号的位置信息，使得计算过程简单化，节约了处理器的资源。此外，提取了最大能量值和第二大能量最大值两个值，同时利用过滤原则对最大能量值对应的信息和第二大能量最大值对应的信息进行了过滤，从而可以提高测距的抗扰能力。

附图说明

图1示出了本发明一个实施例的超声波液位测量方法的流程图。

图2示出了本发明一个实施例的测距装置的硬件模块示意图。

图3示出了本发明一个实施例的测距设备的现场使用安装图。

图4示出了超声波回波信号没有进行距离动态补偿的原始信号波形。

图5示出了超声波回波信号进行距离动态补偿的原始信号波形。

图6示出了超声波回波信号没有进行距离动态补偿提取能量值后的波形。

图7示出了超声波回波信号进行动态能量补偿提取能量值后的波形。

图8示出了超声波回波信号进行动态能量补偿的原始信号波形。

图9示出了从超声波回波信号中快速提取能量值后的波形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

图1示出了本发明一个实施例的超声波测距方法的流程图，图2示出了本发明一个实施例的测距装置的硬件模块示意图，图3示出了本发明一个实施例的测距设备的现场使用安装图。

首先，参考图2和图3对本发明中应用到的测距装置进行描述。如图3所示，作为一示意性的实施例，可将具有处理功能的控制装置和超声波传感器安装在井的上部，以对井的液位进行监测，当然，本发明并不局限于对距离液面的液位进行测量，还可以对距离其他目标物体的高度进行测量。在图3中，各标记的含义如下：

1)H₁:超声传感器底部距井口距离＝传感器支架距井口距离+传感器支架距超声传感器底部距离。

2)H₂：超声传感器底部距水面距离。

3)H₃：水深高度。

4)H₄：井深高度。

5)H₅：预警液位。

6)H₆：报警液位。

在本发明的一实施例中，H₁＝0.78米，H₄＝8.12米，H₅＝2.00米，H₆＝5.00米，液面高度H₃＝1.51米。本发明的计算目标为H₂，随后将进行介绍。

图2示出了本发明一个实施例的测距装置硬件模块示意图，应用硬件模块主要包括：处理器(MCU)，可编程逻辑器件(CPLD)，数字模拟转换器(DA1)，功率放大器(PA)、数字模拟转换器(DA2)，模拟数字转换器(AD)，可变增益放大器(VGA)，收发一体超声波传感器，其中处理器和可编程逻辑器件可构成测距装置的控制装置，对其余模块进行控制，各模块可按照图2所示出的关系进行通讯连接，本发明也可使用两个超声波传感器来发送和接收超声波信号，而不仅仅使用收发一体超声波传感器。具体地，在本发明中，处理器主要起控制作用，处理器与可编程逻辑器件之间通过串行外设接口(SPI)实现控制命令的下发与数据的传输。可编程逻辑器件CPLD接收处理器的发波命令，控制数字模拟转换器DA1发送信号，经过功率放大器驱动超声波传感器向目标物体(本发明中为液面)发送超声波，发送的超声波在碰到液面后反弹回超声波传感器；可编程逻辑器件CPLD接收处理器发送的补偿命令，控制可变增益放大器VGA对回传的超声波信息进行距离衰减动态补偿，以尽可能的消除液面周边环境对回传的超声波信号产生的干扰；并且，可编程逻辑器件接收处理器发送的信号采集命令，控制模拟数字转换器采集超声波回传信号，可编程逻辑器件对采集的超声波回传信号进行分析处理，得到最大能量值对应的信息和第二大能量值对应的信息，可编程逻辑器件将该最大能量值对应的信息和第二大能量值对应的信息回传给处理器，处理器最后得到超声波传感器与目标物体的距离数值。

接下来，结合图1、图4至图9(参考图2和图3)和优选实施例对本发明的超声波液位测量方法进行介绍。

如图1所示，本发明的超声波液位测量方法包括以下步骤：

步骤101：测量系统初始化，系统中的各个模块上电，开始测距过程。具体地，处理器通过串行外设接口(SPI)与可编程逻辑器件(CPLD)通信，可编程逻辑器件(CPLD)初始化数字模拟转换器(DA1)，将数字模拟转换器(DA1)的输出电压调到中心位置，功率放大器(PA)的输出调到中心位置，处理器通过串行外设接口(SPI)与可编程逻辑器件通信，可编程逻辑器件(CPLD)初始化数字模拟转换器(DA2)，将数字模拟转换器(DA2)的输出电压调到零点位置，数字模拟转换器(DA2)调节可变增益放大器(VGA)对超声波传感器回传回传信号进行零补偿处理。同时，处理器通过串行外设接口(SPI)与可编程逻辑器件通信，可编程逻辑器件(CPLD)初始化模拟数字转换器(AD)，将模拟数字转换器(AD)工作在非低功耗模式，使得模拟数字转换器(AD)开始工作。上述所有模块准备好，等待处理器向可编程逻辑器件发送测距命令。

步骤102：可编程逻辑器件中预存了16个正弦波特征点，这些正弦波特征点按顺序画成曲线，可以绘制成一个周期的正弦波曲线。处理器通过SPI接口向可编程逻辑器件发送测距命令，可编程逻辑器件驱动数字模拟转换器(DA1)发送16个周期频率为40Khz的正弦波，数字模拟转换器(DA1)将该波形输出给功率放大器(PA)，功率放大器PA将接收的正弦波信号的功率进行放大，驱动超声波传感器向被测物体(液面)发送超声波探测信号。

步骤103：在超声波传感器向被测液面发送超声波探测信号后，处理器通过SPI接口向可编程逻辑器件发送信号补偿命令，可编程逻辑器调节数字模拟转换器(DA2)的输入数字量，驱动VGA动态补偿超声波能量的距离衰减，本发明的数字模拟转换器DA2输入的初始数字量为15000，后一个数字量以步长大小为5逐个递增，数字模拟转换器DA2输入的数字量总个数为8000，但并不局限于此，例如，也可以以16个点为一个周期，前9个点输出递增5，后7个点输出递增6；同时，可编程逻辑器件通过模拟数字转换器AD采集补偿的超声波回传信号，采样频率应符合奈奎斯特定理，因为在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率f_smax大于回传信号中最高频率f_max的2倍时(f_smax>2f_max)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。本发明中的模拟数字转换器AD在进行模拟数字信号的转换过程中，一实施例示出的采样频率为最高回传信号频率的4倍，即采样频率为160Khz。

在本发明中，超声波传感器发送固定N_period个周期超声波信号，这些信号接触到目标物体后，会反弹回超声波，反弹回的超声波信号回传给超声波传感器。超声波在空气中回传的过程中，随着传输距离的增加，超声波的总能量值会衰减，并且超声波传感器接收到的能量值与超声波传输距离成反比，通过公式表示为：E_sound＝E_t–K₁*S_distance。其中：E_sound为超声波传感器发送的超声波，与前方物体接触，反弹回来的超声波能量值；K₁为超声波在空气之中传播，随着距离的增加，超声波能量值的衰减斜率；S_distance为超声波传感器与前方物体的距离，为超声波在空气中经过总路径的一半；E_t为超声波传感器发射超声波总能量。

对回传的超声波信号的补偿具体为：CPLD调节可变增益放大器(VGA)的输入电压，实时动态的补偿超声波距离衰减的能量值，可变增益放大器的动态补偿能量值与可变增益放大器的输入电压成正比，通过公式表示为：E_vga＝K₂*V_DA2。其中：E_vga为可变增益放大器增益值；K₂为可变增益放大器增益斜率；V_DA2为数字模拟转换器DA2输出电压值。

其中，可变增益放大器VGA的输入电压，与数字模拟转换器DA2的输入数字值成正比，通过公式表示为：V_DA2＝V_DA2ref*D_DAin/D_num，其中，V_DA2ref为数字模拟转换器DA2基准电压；D_Dain为数字模拟转换器DA2的输出数字量数值；V_DA2为可变增益放大器VGA的输入电压；D_num为数字模拟转换器DA2输出数字量总值。

可通过调节可变增益器(VGA)的输入电压的大小来动态的补偿距离衰减的能量值。距离补偿因子V_m＝K₁/K₂，其中，K₁为超声波能量值的距离衰减斜率，K₂为为可变增益放大器增益斜率，V_m为VGA距离补偿因子。

可通过调节数字模拟转换器DA2的输入数字量大小，来调节可变增益放大器VGA的输入电压。数字补偿因子D_m＝V_m*D_num/V_DA2ref，其中：V_m为距离补偿因子，D_m为数字模拟转换器DA2的数字补偿因子。

在本发明中，通过控制数字模拟转换器DA2的电压来对超声波距离衰减动态补偿方法为Dvga＝Dt/f，其中：Dvga为DA2每个点输出的数字增量，Dt为DA2每秒输出的数字增量，f为DA2输出频率，在本发明中，VGA距离衰减动态补偿的补偿频率为40Khz。

即，可编程逻辑器件CPLD通过调节向数字模拟转换器DA2输入的数字量大小来调节DA2的输出电压，进而调节可变增益放大器VGA的输入电压，最终对超声波回传信号的能量值进行动态补偿。

图4中示出了超声波回波信号没有进行距离动态补偿的原始信号图形。图5示出了超声波回波信号进行动态能量补偿的原始信号图形。图4和图5所示超声波原始回波信号都是在800点(干扰信号)和5450点(液位信号)附近波形幅值比较大，说明在这两处有反射物体回波信号。图4和图5的区别在于超声波原始回波信号进行动态能量补偿后，超声波原始回波信号可以弥补随着距离造成的能量衰减。将在步骤104中描述图4和图5所示出的信号的快速提取能量值的结果。

步骤104：可编程逻辑器件实时的处理模拟数字转换器AD采集回来的超声波补偿回传信号，对补偿信号进行加窗处理，采用的特征窗口大小的计算公式为：SIZE_window＝N_period*f_sample/f_send，其中：SIZE_window为信号处理窗口大小，N_period为超声波传感器发送的波形周期数，f_sample为处理器采集信号的频率，f_send为超声波探头发送的信号频率，在本发明中，由于N_period为16，f_sample为160Khz，f_send为40Khz，这样得到信号处理窗口的大小为64。同时可编程逻辑器件快速提取40Khz的目标频率信号的能量值，也就是将补偿信号的每个点与对应正弦波特征点进行乘法运算，然后把这个信号点的乘法结果和后面信号点的乘法结果进行求和运算，求和运算的次数为窗口大小，最后得到这个信号点的能量值。本发明采用1和-1两个特征值做检波信号的正弦波特征点，每个周期取4个特征点，也就是1，1，-1，-1；信号中每个数据乘以1的计算步骤可以简化为取信号本身，信号中每个数据乘以-1的计算步骤可以简化为取信号的相反数，然后，将特征窗口内的64个信号点的运算结果进行求和运算，得到该补偿信号点的能量值，如此类推，可得到每个信号点的能量值，每个特征窗口内的能量值所对应的位置信息为该窗口开始的第一个信号点。本发明采用1，1，-1，-1作为特征值，既简化了计算过程，又节约了处理器的资源。

图6示出了超声波回波信号没有进行距离动态补偿提取能量值后的波形。图7示出了超声波回波信号进行动态能量补偿提取能量值后的波形。图6和图7所示的超声波回波信号提取能量值后的波形都是在800(干扰信号)点和5450(液位信号)点附近出现峰值，说明超声波信号在这两处有反射。图6和图7的区别在于，图6所示离超声波传感器近的干扰物会对测距造成错误影响，图7所示超声波传感器近的干扰物会对测距造微小影响，图6和图7对比说明超声波回波信号进行动态能量补偿后可以提高测距的抗干扰能力。

图8示出了超声波回波信号进行动态能量补偿的原始信号图形。超声波原始回波信号在3750点(流槽干扰信号)和5450点(液位信号)附近波形幅值比较大，说明在这两处有反射物体回波信号。图9示出了图8超声波回波信号中快速提取能量值后的波形，步骤105中描述了图9波形取双峰，过滤算法后的结果。

步骤105：可编程逻辑器件在补偿信号的能量值中找出最大能量值和第二大能量最大值，并提取他们的有效位置信息，包括：超声波反射物体回波(回传信号)中能量最大的点数P_fmax，超声波反射物体回波中能量最大的点数的能量E_fmax，超声波反射物体回波中距离能量最大值位置特征值范围外能量次大的点数P_smax，超声波反射物体回波中能量次大的点数的能量E_smax。从图9示出超声波回波信号能量值的波形中提取双峰，可以得到P_fmax＝3777，E_fmax＝46990000，P_smax＝5493，E_smax＝39150000。

可编程逻辑器件将提取的P_fmax，E_fmax，P_smax，E_smax数值通过SPI接口传给处理器，接着，处理器对P_fmax，E_fmax，P_smax，E_smax进行过滤处理，过滤处理过程中涉及的参数包括：超声波反射物体回波能量一级阀值E_valid1，超声波反射物体回波能量二级阀值E_valid2，最近一次有效的超声波反射物体回波中能量最大的点数P_lastmax，最近一次有效的超声波反射物体回波中能量最大的点数的能量E_lastmax；超声波反射物体回波中能量最大点标志位Flag_Efmax，超声波反射物体回波中能量次大点标志位Flag_Esmax；超声波反射物体回波中能量最大的点数与上一次测量有效值允许变化阀值P_change；超声波反射物体回波中能量存在有效值标志位Flag_success。其中，E_valid1、E_valid2、E_lastmax、P_change的值存储在处理器中，为定值。超声波反射物体回波中能量最大点标志位Flag_Efmax和超声波反射物体回波中能量次大点标志位Flag_Esmax反应的是能量最大值和能量次大值的能量等级，在本发明中，采用0、1和2作为标志位的能量等级，以确定选取能量最大值和能量次大值中的那个作为有效值，其中0表示最低级，2表示最高级。超声波反射物体回波中能量存在有效值标志位Flag_success反应的是本次测距的数据有效性。0表示本次测距无效，1表示本次测距有效。

步骤106：处理器对超声波反射物体回波中能量最大点的信息和超声波反射物体回波中能量次大点的信息进行过滤处理，从超声波反射物体回波中能量最大点和超声波反射物体回波中能量次大点中找出有效的超声波反射物体回波中的点的信息，过滤处理按照如下原则：

(1)

当E_fmax≥E_valid1时，如果E_fmax≥E_valid2，则Flag_Efmax＝2

当E_fmax≥E_valid1时，如果|P_fmax-P_lastmax|≤P_change，则Flag_Efmax＝1

当E_fmax≥E_valid1时，如果|P_fmax-P_lastmax|>P_change，则Flag_Efmax＝0

当E_fmax<E_valid1时，Flag_Efmax＝0

(2)

当E_smax≥E_valid1时，如果E_smax≥E_valid2，Flag_Esmax＝2

当E_smax≥E_valid1时，如果|P_smax-P_lastmax|≤P_change，Flag_Esmax＝1

当E_smax≥E_valid1时，如果|P_smax-P_lastmax|>P_change，Flag_Esmax＝0

当E_smax<E_valid1时，Flag_Esmax＝0

(3)

当Flag_Efmax＝Flag_Esmax时，如果Flag_Efmax＝0，则Flag_success＝0；

当Flag_Efmax＝Flag_Esmax时，如果Flag_Efmax≠0且

|P_fmax-P_lastmax|≤|P_smax-P_lastmax|，则Flag_success＝1，P_lastmax＝P_fmax,E_lastmax＝E_fmax；

当Flag_Efmax＝Flag_Esmax时，如果Flag_Efmax≠0且

|P_fmax-P_lastmax|>|P_smax-P_lastmax|，则Flag_success＝1，P_lastmax＝P_smax，E_lastmax＝E_smax；

当Flag_Efmax≠Flag_Esmax时，Flag_success＝1，P_lastmax＝P_fmax，E_lastmax＝E_fmax。

上述过滤原则(1)用于确定能量最大点标志位Flag_Efmax，即确定能量最大值的等级，上述过滤原则(2)用于确定能量次大点标志位Flag_Esmax，即确定能量次大值的等级，然后根据过滤原则(1)和(2)的结果，来选取有效标志位，并决定将能量最大点数及其能量值和能量次大值点数及其能量值中的那个作为最近一次有效的超声波反射物体回波点数和能量值。Flag_success＝1表示测距成功，Flag_success＝0表示测距不成功，测距成功能够得到有效的液位信息，而测试不成功则不能得到有效的液位信息。

在本发明的一实施例中，E_valid1＝10000000，E_valid2＝30000000，P_lastmax＝5470，E_lastmax＝32230000，P_change＝50。这样，结合图8和图9所示出的波形，单纯的提取最大能量值位置信息作计算，得到的结果为：Flag_success＝1，P_lastmax＝3777，E_lastmax＝46990000；单纯的提取最大能量值位置信息作计算，没有提取两个峰值做过滤处理，得到流槽干扰信号的位置信息，为错误液位信息。取双峰经过滤处理后的结果为：Flag_success＝1，P_lastmax＝5493，E_lastmax＝39150000，为正确液位信息。根据上述结果可知，选取了最大点能量值的位置信息和能量次大点的位置信息并对它们进行过滤处理后，得到的P_lastmax和E_lastmax与最近一次有效的P_lastmax和E_lastmax较相近，由此可知，超声波反射物体回波中能量最大点的信息和超声波反射物体回波中能量次大点的信息经过上述过滤原则过滤处理后，能够提高测距的抗扰能力。如图9所示，提取两个两个峰值做过滤处理，得到正确液位，液位的具体算法参见下述步骤107。

步骤107：计算液位H₂。

处理器根据过滤处理得到有效的超声波反射物体回波中的点的信息P_lastmax，采用公式H₂＝P_lastmax*V_speed/2/f_sample来计算液位H₂。其中：P_lastmax为最近一次有效的超声波反射物体回波中能量最大的点数，V_speed为声音在空气中的传播速度，f_sample为模拟数字转换器AD的采样频率。

在本发明的一实施例中，根据步骤106计算的P_lastmax、处理器采集信号的频率f_sample以及V_speed来计算H₂，最终得到H₂＝5.83米。本次液位测量完成，各模块关电。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种超声波液位测量方法，其特征在于，包括：

控制装置控制超声波传感器向被测液面发送固定频率的超声波探测信号，所述超声波探测信号在接触所述液面后，向所述超声波传感器反弹回超声波回传信号；

所述控制装置实时采集接收的超声波回传信号，同时在控制装置每采集一个超声波回传信号之后，实时动态调节可变增益放大器的输入电压来对所述超声波回传信号进行距离衰减动态补偿，得到超声波补偿信号；

所述控制装置对所述超声波补偿信号进行加窗处理，以特征窗口快速从所述超声波补偿信号中提取目标频率信号；

所述控制装置在所述超声波补偿信号中选取目标频率最大能量值对应的信息，并在距离能量最大值位置特征范围外，选取第二大能量值对应的信息；

所述控制装置基于所选取目标频率的最大能量值对应的信息和选取目标频率的第二大能量值对应的信息，得到有效的超声波反射所述液面所对应的信息，计算所述超声波传感器距离所述液面的液位高度；

控制装置控制超声波传感器发送的超声波探测信号中包括固定N_period个周期的正弦波信号，所述控制装置对所述超声波补偿信号进行分析，提取所述超声波补偿信号中N_period个周期正弦波信号的位置信息，并计算超声波传感器到被测液面的距离；

控制装置对所述超声波补偿信号进行加窗处理，包括利用特征窗口大小对所述超声波补偿信号分数据段进行分析，其中特征窗口大小通过如下公式获得：SIZE_window＝N_period*f_sample/f_send，其中，SIZE_window为信号处理窗口大小，N_period为超声波传感器发送波形周期数，f_sample为控制装置采集信号频率，f_send为超声波探头发送信号频率；

控制装置采用1和-1两个特征值做信号提取特征点来从所述超声波补偿信号中快速提取目标频率信号的位置信息。

2.根据权利要求1所述的超声波液位测量方法，其特征在于，所述控制装置驱动第一数字模拟转换器发送固定频率的超声波探测信号，发送的探测信号经经功率放大器放大后，通过所述超声波传感器发送；

所述控制装置控制模拟数字转换器以大于所述超声波回传信号中的最高频率的2倍的采样频率来采集所述超声波回传信号；

所述可变增益放大器的输入电压与对所述超声波回传信号进行距离衰减动态补偿的增益能量值成正比。

3.根据权利要求2所述的超声波液位测量方法，其特征在于，所述控制装置每采集一个超声波回传信号之后，控制装置通过控制第二数字模拟转换器输出连续的变化的电压来动态调节所述可变增益放大器的输入电压，进而动态调节所述增益能量值，以对所述超声波回传信号的下一个采集点进行距离衰减补偿。

4.根据权利要求1所述的超声波液位测量方法，其特征在于，所述最大能量值对应的信息和所述第二大能量值对应的信息包括：超声波回传信号中能量最大的点数P_fmax，超声波回传信号中能量最大的点数的能量E_fmax，超声波回传信号中距离能量最大值位置特征值范围外能量次大的点数P_smax，超声波回传信号中能量次大的点数的能量E_smax。

5.根据权利要求4所述的超声波液位测量方法，其特征在于，还包括：控制装置对超声波回传信号中能量最大点的信息和超声波回传信号中能量次大点的信息进行过滤处理，过滤处理过程中涉及的参数包括：超声波回传信号中能量一级阀值E_valid1，超声波回传信号中能量二级阀值E_valid2，最近一次有效的超声波回传信号中能量最大的点数P_lastmax，最近一次有效的超声回传信号中能量最大的点数的能量E_lastmax，超声波反射物体回传信号中最大点标志位Flag_Efmax，超声波回传信号中能量次大点标志位Flag_Esmax，超声波回传信号中能量最大的点数与上一次测量有效值允许变化阀值P_change，超声波回传信号中中能量存在有效值标志位Flag_success。

6.根据权利要求5所述的超声波液位测量方法，其特征在于，控制装置基于以下过滤处理原则对超声波回传信号中能量最大点的信息和超声波回传信号中能量次大点的信息进行过滤处理：

1)

当E_fmax≥E_valid1时，如果E_fmax≥E_valid2，则Flag_Efmax＝2

当E_fmax≥E_valid1时，如果|P_fmax-P_lastmax|≤P_change，则Flag_Efmax＝1

当E_fmax≥E_valid1时，如果|P_fmax-P_lastmax|>P_change，则Flag_Efmax＝0

当E_fmax<E_valid1时，Flag_Efmax＝0

2)

当E_smax≥E_valid1时，如果E_smax≥E_valid2，Flag_Esmax＝2

当E_smax≥E_valid1时，如果|P_smax-P_lastmax|≤P_change，Flag_Esmax＝1

当E_smax≥E_valid1时，如果|P_smax-P_lastmax|>P_change，Flag_Esmax＝0

当E_smax<E_valid1时，Flag_Esmax＝0

3)

当Flag_Efmax＝Flag_Esmax时，如果Flag_Efmax＝0，则Flag_success＝0；

当Flag_Efmax＝Flag_Esmax时，如果Flag_Efmax≠0且

|P_fmax-P_lastmax|≤|P_smax-P_lastmax|，则Flag_success＝1，P_lastmax＝P_fmax,E_lastmax＝E_fmax；

当Flag_Efmax＝Flag_Esmax时，如果Flag_Efmax≠0且

|P_fmax-P_lastmax|>|P_smax-P_lastmax|，则Flag_success＝1，P_lastmax＝P_smax，E_lastmax＝E_smax；

当Flag_Efmax≠Flag_Esmax时，Flag_success＝1，P_lastmax＝P_fmax，E_lastmax＝E_fmax。

7.根据权利要求6所述的超声波液位测量方法，其特征在于，控制装置根据所述过滤处理原则得到P_lastmax，E_lastmax和Flag_success的具体数值，并根据下述公式来计算超声波传感器距离液面的距离：

H₂＝P_lastmax*V_speed/2/f_sample其中：H₂为超声波传感器距离液面的距离；P_lastmax为最近一次有效的超声波回传信号中能量最大的点数；V_speed为声音在空气中的传播速度；f_sample为模拟数字转换器的采样率。